linux进程管理(3)---进程创建

一、目的

    本文将介绍linux下创建进程的过程，不同于其他操作系统，linux创建进程的实现方式有自己的显著特点，具体的实现代码可以在kernel/fork.c中找到。

    linux没有线程和进程的区别，但是父进程在创建子进程时，可以根据参数标志让子进程选择性的继承父进程的资源；如果指定子进程继承父进程的地址空间、打开的文件、文件系统、信号量等资源，那么此时的子进程就相当于父进程的“线程”。虽然linux不直接提供线程，但是通过参数标志的方式间接提供被称为“轻量级进程”的线程，显得更加灵活和简单。

    此外，由于采用了写时拷贝技术，避免了大量页的拷贝操作，所以linux下创建进程的代价很小。

二、系统调用接口

    进程创建的系统调用接口有fork()、vfork()、clone()；创建内核进程的接口是kernel_thread()。这些接口函数最终都是调用do_fork()实现具体的进程创建工作，区别在于参数标志不同。

    fork()没有设置参数标志，相当于指定了默认参数标志；vfork()设置了CLONE_VFORK、CLONE_VM参数标志，指定父进程共享地址空间（注意与写时拷贝的区别），且子进程创建完成后，父进程睡眠，子进程优先运行；子进程运行完毕后通知父进程继续运行，由于写时拷贝技术的发明，vfork()的优点已经不是很明显了；clone()原型声明中给出了参数标志clone_flags，由用户设置父进程共享的资源；kernel_thread()是内核接口，只能在内核编程中使用，并且设置了CLONE_VM、CLONE_UNTRACED参数标志；由于内核进程在内核态运行，并且只能由内核进程创建，所以内核进程不需要独立的地址空间，因此内核进程指定了CLONE_VM参数标志。

    由于这些接口都是调用do_fork()函数实现，差异仅在于参数标志，并且上面已经给出了差异分析，所以下面就不一一讲述各个接口的具体实现。fork()使用了默认的参数标志，属于创建子进程的标准操作，所以下面讲述fork()的实现过程。

三、参数标志

    参数标志指定了父子进程之间共享的资源，这些资源之间可能存在冲突，也可能存在依赖关系。例如：CLONE_NEWUSER和CLONE_FS之间冲突，不能既要求为子进程创建新的命名空间，又要求子进程继承父进程的文件系统信息。CLONE_THREAD和CLONE_SIGHAND之间存在依赖关系，如果指定父子进程在同一线程组，那么父子进程必须共享信号处理函数。

    下面列出存在冲突的参数标志组合：

    CLONE_NEWNS和CLONE_FS：指定子进程拥有新的命名空间，那么就不能继承父进程的文件系统信息。

    CLONE_NEWUSER和CLONE_FS：指定子进程拥有新的用户空间，那么就不能继承父进程的文件系统信息。该组合会导致一个系统漏洞，可以让一个普通用户窃取到root的权限。

    下面列出存在依赖关系的参数标志组合：

    CLONE_THREAD依赖CLONE_SIGHAND：父子进程在同一进程组，那么需要共享信号处理函数。

    CLONE_SIGHAND依赖CLONE_VM：父子共享信号处理函数，那么需要共享地址空间。

四、fork()实现过程

    fork()->do_fork()首先调用copy_process()创建新进程，然后调用wake_up_new_task()将进程放入运行队列中并启动新进程。

    copy_process()主要完成以下工作：

    1、参数标志检测，处理存在冲突或者依赖关系的参数标志组合；

    2、不能为init进程创建兄弟进程，防止这些兄弟进程在退出时变为僵尸进程（进程0不会处理僵尸进程）。如果当前进程为init，则不能指定CLONE_PARENT参数标志；

    3、调用dup_task_struct()为新进程创建一个task_struct结构、一个thread_info结构和内核栈（内核栈的末端就是thread_info结构，所以这两者共享了页结构），此时父子进程的描述符、内核栈内容完全一致（除了thread_info相关的内容）；在内核栈与thread_info之间写入“内核栈防越界魔数”STACK_END_MAGIC（0x57AC6E9D）；

    4、判断当前用户所拥有的进程数是否超出最大值；

    5、调用copy_flags()设置新进程的flags成员，表明进程是否拥有超级用户权限的PF_SUPERPRIV标志被清0，表明进程还没有调用exec()函数的PF_FORKNOEXEC标志被设置；

    6、初始化新进程的孩子链表和兄弟链表指针指向新进程自己（即无孩子和兄弟进程）；

    7、设置新进程的时间为0；设置进程创建时间为当前系统时间；

    8、进行调度程序相关的设置，设置运行状态为TASK_RUNNING，继承父进程的优先级值；

    9、根据参数标志拷贝或共享文件系统、信号量、信号处理函数、打开的文件、地址空间、命名空间和cpu寄存器组等资源；默认情况下，子进程拷贝父进程的资源；

    10、调用alloc_pid()为新进程分配一个有效的PID；

    11、根据参数标志，设置子进程与父进程的关系以及与进程组的关系；

    12、返回新进程的进程描述符。

    总而言之，fork()的作用就是“复制”一份父进程及其资源，搭建好了一个进程运行时所需的必要环境；当调用exec()函数族时，才会将进程地址空间的内容替换为子进程的可执行文件。

五、总结

    由于采用了参数标志指定父子进程之间共享的资源，所以linux没有刻意区分进程和线程，实现方式上更加灵活和简便；并且采用了写时拷贝技术，创建进程的代价也大大减小了。基于以上特性，linux创建进程的方式显得更加“优美”。

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